Höyryn käyttö sahatavaran kuivauksessa

Transkriptio

1 VTT JULKAISUJA PUBLIKATIONER 826 Höyryn käyttö sahatavaran kuivauksessa Antti Hukka & Veikko Tarvainen VTT Rakennustekniikka VALTION TEKNILLINEN TUTKIMUSKESKUS ESPOO 1997

2 ISBN (nid.) ISSN (nid.) ISBN (URL: ISSN (URL: Copyright Valtion teknillinen tutkimuskeskus (VTT) 1997 JULKAISIJA UTGIVARE PUBLISHER Valtion teknillinen tutkimuskeskus (VTT), Vuorimiehentie 5, PL, 44 VTT puh. vaihde (9) 4561, faksi (9) Statens tekniska forskningscentral (VTT), Bergsmansvägen 5, PB, 44 VTT tel. växel (9) 4561, fax (9) Technical Research Centre of Finland (VTT), Vuorimiehentie 5, P.O.Box, FIN 44 VTT, Finland phone internat , fax VTT Rakennustekniikka, Rakennusmateriaalit ja -tuotteet sekä puutekniikka, Puumiehenkuja 2 A, PL 186, 44 VTT puh. vaihde (9) 4561, faksi (9) VTT Byggnadsteknik, Byggnadsmaterial och -produkter, träteknik, Träkarlsgränden 2 A, PB 186, 44 VTT tel. växel (9) 4561, fax (9) VTT Building Technology, Building Materials and Products, Wood Technology, Puumiehenkuja 2 A, P.O.Box 186, FIN 44 VTT, Finland phone internat , fax Tekninen toimitus Leena Ukskoski LIBELLA PAINOPALVELU OY, ESPOO 1997

3 Hukka, Antti & Tarvainen, Veikko. Höyryn käyttö sahatavaran kuivauksessa [Using steam in drying of sawn timber]. Espoo 1997, Valtion teknillinen tutkimuskeskus, VTT Julkaisuja Publikationer s. + liitt. 11 s. UDK 674.9:674.4 Avainsanat timber, drying, wood, sawn lumber, steam, utilization, cracking, heating, moisture TIIVISTELMÄ Sahatavaran kamarikuivauksen alkulämmitysvaiheessa sahatavara pyrkii kuivumaan hallitsemattomasti, koska kuormiin puhallettavan ilman kosteus on vesihöyryn tiivistymisen vuoksi liian alhainen. Tästä aiheutuu sahatavaran pinnalle pieniä alkuhalkeamia eli niin sanottua mikrohalkeilua, joka kuivauksen myöhemmässä vaiheessa kasvaa silmin havaittavaksi halkeiluksi. Mikrohalkeilun on havaittu olevan suurin yksittäinen kuivaushalkeilun syy, mutta se voidaan lähes kokonaan välttää kostuttamalla kuivausilmaa alkulämmitysvaiheessa voimakkaasti. Tehokkain tapa on käyttää tarkoitukseen matalapaineista höyryä. Näin voidaan vähentää kuivaushalkeilun määrää jopa 5 %, minkä lisäksi alkulämmitysvaiheeseen käytettävän ajan lyhentyminen 5-8 %:lla tuo lisää kuivauskapasiteettia 5-1 %. Tarvittavan höyrykattilan teho on nimellistilavuudeltaan 1 m 3 :n kamarissa noin 5 kw. Sekä kattilan pääoma- että käyttökustannukset saadaan takaisin halkeilun aiheuttaman arvonalennuksen vähentymisenä. Myös sahatavaran kuivauksen laadun toinen tärkeä osatekijä, sisäosan ja pinnan välinen kosteusero, voidaan minimoida käyttämällä höyryä lopputasaannutuksessa. Tasaannuttamattomana sahatavara ei kelpaa jatkojalostuksen tarpeisiin, koska kosteusgradientti yhdessä kuivauksen aiheuttaman jännitystilan kanssa aiheuttaa sahatavaran poikkileikkauksessa taipumuksen muodonmuutoksiin halkaisussa ja höyläyksessä. Höyryllä tapahtuvassa tasaannutuksessa puun keskiosan ja pinnan välinen kosteusero tasaantuu erittäin tehokkaasti jo muutamassa tunnissa ja sen keskimääräinen kosteus kasvaa 1-2 prosenttiyksikköä. Jotta prosessi olisi tehokas ja mahdollisimman taloudellinen, puun on oltava ensin jäähtynyt. Tämä antaa mahdollisuuden toteuttaa tasaannutusvaihe erillisessä, tätä varten suunnitellussa tasaannutuskammiossa, jolloin prosessi kestää kokonaisuudessaan vain noin ½ vuorokautta. Ilman höyryä tasaantuminen kestää varastossa useita kuukausia, mikä aiheuttaa pääoman sitoutumisen muodossa useimmiten myös selvästi enemmän kustannuksia kuin tehokkaasti höyryn avulla toteutettu lopputasaannutus. 3

4 Hukka, Antti & Tarvainen, Veikko. Höyryn käyttö sahatavaran kuivauksessa [Using steam in drying of sawn timber]. Espoo 1997, Technical Research Centre of Finland, VTT Julkaisuja Publikationer p. + app. 11 p. UDC 674.9:674.4 Keywords timber, drying, wood, sawn lumber, steam, utilization, cracking, heating, moisture ABSTRACT In convective air-drying of sawn timber the drying process in not well controlled during the warm-up phase, because the humidity of the air condenses on the cold timber and the kiln walls. As a result of this drying taking place when the wood is still cold, very small initial cracks appear at the wood surface. Later on, these so-called micro-checks open and form the macroscopic checking to be observed at the end of the drying process. It has been shown that this phenomenon is the most important single factor causing drying checking, but it can be entirely avoided by humidifying the air effectively during the warm-up phase. The most effective method is using low-pressure steam. With steam drying checking can be reduced by 5 % and the time needed for the warm-up phase be diminished by 5-8 % increasing the drying capacity by as much as 1 %. The power needed in a kiln with nominal volume of 1 m 3 is about 5 kw. Both the investment and the operation cost of the steam boiler will be compensated for by the lower loss in timber value caused by checking. Another important factor in drying quality is the final moisture gradient of the timber. Immediately after drying the moisture gradient is typically so large, that the timber is not suitable for further processing, because moisture gradient along with the drying stresses causes deformations in splitting and planing. By conditioning with steam the moisture difference between the centre and surface of the wood can be conditioned in a few hours while the average moisture increases by 1-2 %. This process to be effective and economical the timber must first be cooled down after drying. This suggests using a separate conditioning chamber of special design, when the whole process can be carried out in 12 hours. Without steam in a warehouse the conditioning takes several months, which usually also causes substantially more capital costs than effective steam conditioning. 4

5 ALKUSANAT Sahateollisuudessa on asiakaslähtöisen toiminnan voimakas kasvu lisännyt tarvetta parantaa kuivauslaatua sekä nostaa kuivauskapasiteettia. Kuivaus puusepänkuivaksi kestää noin kaksinkertaisen ajan vientikuivaukseen verrattuna. Lisäksi asiakas toivoo saavansa halkeilematonta ja kosteudeltaan tasaista sahatavaraa. Muualla tehdyt tutkimukset ja käytännön kokemukset ovat antaneet viitteitä, että höyryllä kuivaamon kostutuksessa voidaan säästää kuivausaikaa ja vähentää kuivausvirheitä. Höyryn käytön etujen ja kustannusten selvittämiseksi Teknologian kehittämiskeskus (TEKES) ja Suomen Puututkimus Oy päättivät teettää höyrykuivaustutkimuksen. Tutkimus, jonka projektinimenä on Puun kuivumisen ja halkeilun mallintaminen höyrykuivauksessa, jakautuu kahteen osaan. Ensimmäisessä osassa, jonka tulokset esitetään tässä raportissa, käsitellään höyryn käyttöä perinteisissä kuivaamoissa. Toisessa osassa tutkitaan uudella kuivauslaitteistolla puun kuivumista ja käyttäytymistä yli 1 C:n lämpötiloissa ja - 1 barin ylipaineessa. Tutkimuksen johtoryhmään kuuluivat kehitysjohtaja Seppo Vainio Enso- Gutzeit Oy:stä, kehitysjohtaja Kalevi Asikainen Kaukas Oy:stä, professori Tero Paajanen eknillisestä korkeakoulusta, tutkimuspäällikkö Ilmari Absetz TEKESistä ja tutkimuksen vastuullinen johtaja tutkimusprofessori Alpo Ranta-Maunus VTT:stä. Projektin tutkijoina olivat Antti Hukka ja Veikko Tarvainen. Haluamme kiittää johtoryhmää työn asiantuntevasta suuntaamisesta ja sahateollisuuden käytännön näkökantojen korostamisesta. Toivomme julkaisun antavan sopivan käytännönläheiset ohjeet höyryn käyttöön kuivauksen eri vaiheissa sekä antavan selvityksen höyryn käyttömahdollisuuksista, eduista ja kustannuksista. Tekijät 5

6 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ...3 ABSTRACT...4 ALKUSANAT JOHDANTO FYSIKAALISET PERUSTEET HÖYRYN KÄYTÖLLE SAHATAVARAN KUIVAUKSESSA HÖYRYN VAIKUTUS KUIVAUKSEN ERI VAIHEISSA HÖYRYN KÄYTTÖ ERI KUIVAUSMENETELMISSÄ VAIKUTUS KUIVAUSLAADUN ERI OSATEKIJÖIHIN ESIHÖYRYTYS ENNEN KUIVAUSTA HÖYRYN KÄYTTÖ KUIVAUKSEN ALKULÄMMITYSVAIHEESSA LABORATORIOKUIVAUSKOKEET ALKULÄMMITYSVAIHEESSA VALLITSEVAN KUIVAUSKAAVAN VAIKUTUKSEN SELVITTÄMISEKSI YLÖSAJOVAIHEEN SIMULOINTI KAMARIKUIVAUKSEN SIMULOINTIOHJELMALLA Mallin rakenne Tulokset ALKULÄMMITYKSESSÄ TARVITTAVA HÖYRYTEHO HÖYRYN KÄYTTÖ LOPPUTASAANNUTUKSESSA LOPPUTASAANNUTUKSEN SUORITUS: TEOREETTINEN TARKASTELU LOPPUHÖYRYTYKSEN KOKEELLINEN TUTKIMUS Kuusisahatavara, ensimmäinen koesarja Kuusisahatavara, toinen koesarja Mäntysahatavara Muodonmuutostaipumuksen ja kosteusgradientin välinen yhteys TEHOKKAIN TAPA TOIMIA: ERILLINEN TASAANNUTUSKAMMIO... 6 HÖYRYN TUOTANTOLAITTEISTO ENERGIAN KOKONAISKULUTUS LAINSÄÄDÄNTÖ YHTEENVETO...47 LÄHDELUETTELO...49 LIITTEET 6

7 1 JOHDANTO Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen ja eräiden muiden tahojen yhteistyönä vuosina toteutetun Sahatavaran kuivauksen laadun parantaminen -projektin yhtenä päätavoitteena oli luoda edellytykset paksun, hyvälaatuisen sahatavaran kuivaushalkeilun vähentämiseen puoleen verrattuna projektin alkaessa vallinneeseen tilanteeseen. Tutkimuksen lähtökohtana oli ajatus siitä, että kuivumisprosessissa olennaisten puun materiaaliominaisuuksien ymmärtämisen kautta on mahdollista oikeiden kuivauskaavojen avulla hallita kuivaushalkeilua. Myös tämän jälkeen on VTT:llä toteutettu useita puussa tapahtuvan kosteuden- ja lämmönsiirron sekä virumisen ymmärtämiseen tähdänneitä projekteja, joiden sovelluksena on ollut muun muassa edellä mainitun projektin lopputuloksena luodun kuivauksen simulointiohjelman LAATUKAMARI jatkokehitys. Nämä projektit ovat sisältyneet Teknologian kehittämiskeskuksen TEKESin Puun mekaanisen teknologian (PMT) ohjelmaan. Edellytykset kuivaushalkeilun hallintaan ovat näin olleet olemassa jo pidemmän aikaa (Ranta-Maunus ym. 1995), mutta yhä edelleen etenkin mäntysahatavaran osalta on suomalaisessa sahateollisuudessa kuitenkin vallitsevana se tilanne, että kuivaushalkeilun aiheuttama sahatavaran arvon aleneminen on suurempi kustannustekijä kuin kaikki muut kuivauksen aiheuttamat kustannukset yhteensä. Tilanne on kyllä parantunut 199-luvun aikana, mutta hyvin tyypillisesti 63 tai 75 mm paksun hyvälaatuisen mäntysahatavaran arvo alentuu kuivaushalkeilun seurauksena vieläkin 1 %, mikä merkitsee yli 1 markan kustannusta kuutiometriä kohti. Myös muilla dimensioilla ja laaduilla halkeiluongelma on selkeästi vielä olemassa. Yhtenä syynä ongelmiin on se, että nykyisillä kamarikuivaamoilla on vaikea saada aikaan sellaisia kuivausolosuhteita, jotka tutkimuksissa on havaittu optimaaliseksi kuivaushalkeilun minimoimiseksi. Etenkin ennen varsinaisen kuivauslämpötilan saavuttamista tapahtuva ennenaikainen kuivuminen on ongelma, koska tällöin puun materiaaliominaisuudet ovat sellaiset, että vähäinenkin sahatavaran pinnan kuivuminen riittää aiheuttamaan pieniä halkeaman alkuja. Tämän niin sanotun mikrohalkeilun on muun muassa ruotsalaisissa tutkimuksissa (Morén 1994b) havaittu olevan suurin yksittäinen kuivaushalkeilun aiheuttaja. Alkulämmitysvaiheessa tapahtuvan hallitsemattoman kuivumisen estämiseksi kuivauskuormiin puhallettavaa kuivausilmaa on kostutettava, koska siinä oleva kosteus pyrkii tiivistymään kylmän sahatavaran pintaan. Kuivausilman vesisisältö ei näin ollen riitä kuivauksen hallittuun aloittamiseen. Matalapaineisen vesihöyryn käyttö kuivausilman lämmitykseen ja kostutukseen on ajatuksena jo vanha, mutta suomalaisessa sahateollisuudessa se ei ole laajemmalti levinnyt. Sen sijaan yleisesti käytetään kuivaamoissa vesisumutusta, joka vieläpä usein huonosti toteutettuna on ongelmallinen ja riittämätön väline halutun kuivauskaavan toteuttamiseen. Täsmällinen 7

8 tieteellinen ja ennen kaikkea päätöksenteon avuksi tarvittava numeerinen tietämys höyryn käytön mukanaan tuomista eduista on paljolti puuttunut. Toinen asiakaslähtöisen toiminnan lisääntyessä kasvava sahatavaran kuivauslaatuun liittyvä ongelma on kuivatussa puussa vallitseva kosteus- ja jännitysjakauma. Suuri kosteusgradientti ja jäännösjännitykset yhdessä aiheuttavat sen, että sahatavara ei sellaisenaan kelpaa jatkojalostuksen tarpeisiin. Etenkin halkaisu ja höyläys aiheuttavat tasaannuttamattomassa sahatavarassa niin suuria muodonmuutoksia, että näin syntyvää materiaalitappiota ei voida hyväksyä. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää se, kuinka höyryä tulisi käyttää käytännön kuivaustoiminnassa nykyisissä suomalaisissa sahatavaran kamarikuivaamoissa edellä kuvattujen ongelmien ratkaisemiseksi siten, että kuivaukseen kuluva aika ja kustannukset eivät korkean kuivauslaatutavoitteen vuoksi kohoa olennaisesti nykytilannetta korkeammiksi. 8

9 2 FYSIKAALISET PERUSTEET HÖYRYN KÄYTÖLLE SAHATAVARAN KUIVAUKSESSA Höyryn käytön vaikutusten ymmärtämiseksi on välttämätöntä ymmärtää konvektiiviseen lämmön- ja massansiirtoon perustuvan kuivauksen fysikaaliset perusteet. Kuivaamoon asetettu sahatavara kokee ympäröivästä ilmavirrasta kolme fysikaalista perusasiaa, lämpötilan, ilman kosteuden ja ilman virtausnopeuden. Tavanomaisessa lämpimän ilman virtaukseen pohjautuvassa kuivaamossa kuivuminen perustuu siihen, että kuivauspakettien läpi virtaavasta kuivausilmasta siirtyy lämpöenergiaa puuhun, jossa tämä energia kuluu veden höyrystämiseen. Höyrystynyt vesi siirtyy virtaavan ilman mukana pois puusta. Jos puun pinta on hyvin märkä (tuore pintapuu), tämä höyrystyminen tapahtuu pääasiassa puun pinnalla. Muussa tapauksessa ilmasta puuhun absorboituva lämpö siirtyy johtumalla puun sisäosiin ja aiheuttaa veden höyrystymisen laajemmalla alueella puun sisällä. Mainitut fysikaaliset suureet vaikuttavat yksittäisen sahatavarakappaleen kuivumista tarkasteltaessa kuivumistapahtumaan seuraavasti: Korkea lämpötila parantaa puun kosteudenjohtavuutta eli kosteuden virtausta puun sisäosista kohti puun pintaa. Tätä ilmiötä tehostaa veden kiehumispistettä korkeammassa lämpötilassa puun sisäosiin syntyvä ylipaine, jonka hyväksikäyttö on kuumakuivauksen perusajatus. Myös alipainekuivauksessa syntyy sama ilmiö jo alemmassa lämpötilassa ulkoisen paineen alentamisen seurauksena. Kuivausilman kosteus eli kuivauskaava määrää olennaisesti sen, kuinka tehokkaasti vesi haihtuu puun pinnalta sitä ympäröivään ilmaan. Asiaan liittyy lisäksi olennaisena tekijänä puun pinnan kosteus: mitä kuivempi puun pinta on, sitä heikommin siitä haihtuu kosteutta. Tämä johtuu suurelta osin puun hygroskooppisuudesta eli sen kosteuspitoisuuden vaikutuksesta puussa vallitsevaan vesihöyryn osapaineeseen. Vastaava ilmiö, joskin heikompana on havaittavissa myös puunsyiden kyllästymispisteen yläpuolella. Puun pinnalla eli kuivauskuorman rimavälissä virtaavan ilman virtausnopeus vaikuttaa lämmön- ja aineensiirron tehokkuuteen puun ja ilman välisellä rajapinnalla. Asiaan vaikuttaa lisäksi vähäisemmässä määrin puun pinnan karheus. Mainittujen tekijöiden keskinäinen merkittävyys riippuu olennaisesti kuivattavasta materiaalista. Sahatavaran kyseessä ollen on erotettavissa selvästi kaksi erilaista tapausta: 1. Ohuen pintalaudan kuivaus, jolloin ongelmana on saada siirretyksi vesi puun pinnalta sitä ympäröivään ilmaan. Sekä laudan ohuus että pintapuun materiaaliominaisuudet edistävat kosteuden siirtymistä puun sisäosista sen 9

10 pinnalle. Tällöin kuivumisen määräävät ensisijaisesti kuivausilman suhteellinen kosteus ja laudan pinnalla virtaavan ilman nopeus. Lämpötilan korottamisella on kuivumisnopeuteen vain vähäinen vaikutus. 2. Paksun sydäntavaran kuivaus, jolloin perusongelmana on siirtää kosteus puun sisäosista sen pinnalle. Puun pinta kuivuu joka tapauksessa jopa liiankin nopeasti, sillä sekä lankun suuri paksuus että sydänpuun materiaaliominaisuudet ovat hidastamassa veden siirtymistä kohti puun pintaa. Tällöin korostuu korkean lämpötilan puun kosteudenjohtavuutta parantava vaikutus, kun taas ilman virtausnopeuden kasvattaminen ei lisää kuivumisnopeutta käytännöllisesti katsoen lainkaan. Kaikilla kolmella mainitulla kostean ilman ominaisuudella on lisäksi merkitystä tarkasteltaessa kuivumistapahtumaa teollisen sahatavarakuivaamon suuremmassa mittakaavassa. Tällöin korostuu erityisesti ilman nopeuden vaikutus, josta ensisijaisesti riippuu kuivausolosuhteiden tasaisuus kuivaamon eri osissa. Sekä kuormiin puhallettavan ilman olosuhteiden epätasaisuus painepuolella että olosuhteiden liiallinen muuttuminen puhallussyvyyden seurauksena johtuvat useimmiten juuri liian alhaisesta tai epätasaisesta ilman virtausnopeudesta. Tällöin myös kuivumistulos on epätasainen, eikä kuivauslaatukaan voi ainakaan kaikkien kappaleiden osalta olla tyydyttävä. 2.1 HÖYRYN VAIKUTUS KUIVAUKSEN ERI VAIHEISSA Vesihöyry ei sellaisenaan reagoi puun kanssa, eli puun solukko ei tavanomaisessa lämminilmakuivauksessa kysymykseen tulevissa olosuhteissa kuivumiseen vaikuttavien ominaisuuksien osalta muutu sen vaikutuksesta. Höyry on siis vain väline halutunlaisen kuivauskaavan toteuttamiseen, mutta sellaisena olennaisesti muita vaihtoehtoisia välineitä tehokkaampi. Höyry sisältää sekä lämpöenergian että kosteuden, jotka molemmat ovat kondensoitumisen kautta tehokkaasti siirrettävissä sahatavaran pintaan. Kostutukseen yleisesti käytettävällä vesisumutuksella ei saada aikaan samaa vaikutusta, koska tavanomaisten vesitäyttöisten lämpöpattereiden tapauksessa sekä pattereiden pintalämpötila että teho ovat liian alhaisia sumutettavan veden tehokkaaseen höyrystämiseen. Lisäksi käytettävät sumutussuuttimet ovat rakenteeltaan sellaisia, että niissä syntyvä pisarakoko on huomattavan suuri ja suuttimet pyrkivät ajan kuluessa tukkeutumaan. Tarkasteltaessa höyryn vaikutusta sahatavaran kuivumiseen on erotettava tyypillisen hyvän kamarikuivauskaavan neljä eri vaihetta: 1. Kuivauksen lämmitysvaiheessa (kuivaamon ylösajo) puu on kylmää, joten höyry tiivistyy vedeksi sahatavaran pinnalle ja siirtää samalla veden höyrystymislämmön verran lämpöenergiaa puun pintaan. Pinnalta tämä lämpö siirtyy johtumalla puun sisäosiin. Tiivistyvästä vedestä valtaosa valuu kuivaamon lattialle, mutta osa imeytyy sahatavaraan nostaen sen kosteutta. Tuloksena on puun nopea lämpeneminen ilman, että sen pinta 1

11 pääsee kuivumaan. Tämä estää lämmitysvaiheessa syntyvän mikrohalkeilun, jonka on tutkimuksissa havaittu aiheuttavan jopa 5 % kuivauksen lopputuloksessa nähtävistä sahatavaran pintalappeen halkeamista. Kuivauksen lämmitysvaiheeseen kuluvaa aikaa voidaan lyhentää höyryn avulla jopa 8 %, koska höyry merkitsee ylimääräisen lämmitystehon käyttöä. 2. Varsinaisessa kuivausvaiheessa höyry merkitsee puun kannalta vain kuivausilmassa olevaa kosteutta. Se on keino kostuttaa ilmaa kuivauskaavan niin vaatiessa, eikä puu voi kokea eroa höyryllä tai vesisumutuksella tuotetun kosteuden välillä, jos vesisumutus on riittävän tehokas. Jos kuivaamo on tiivis, kuten sen pitäisi, ei höyryä tarvita kuivausvaiheessa lainkaan, vaan päinvastoin puusta haihtuva kosteus on kuljetettava ilmanvaihdon tai kondensoinnin avulla höyrynä tai vetenä kuivaamosta ulos. 3. Kappaleiden välisen kosteusvaihtelun tasaamisvaiheessa höyryä tarvitaan ilman suhteellisen kosteuden nostamiseen, koska käytännössä kuivaamot yleensä eivät ole riittävän tiiviitä. Tiiviissä kuivaamossa tarkoitukseen riittää pelkkä ilmanvaihdon vähentäminen, koska joka tapauksessa kuorman keskimääräinen kosteus vielä alentuu tässä vaiheessa. 4. Tasaannutusvaiheessa perinteisenä ajatuksena on nostaa kuivausilman suhteellinen kosteus niin suureksi, että vallitseva tasapainokosteus on puun pinnan kosteutta korkeampi. Suomalainen havusahatavara tasaantuu kuitenkin hyvin hitaasti, minkä vuoksi parempi tulos saavutetaan käyttämällä tässäkin hyväksi höyryn kondensoitumista. Kun puun pinta on kylmä (vallitsevaa kastepistelämpötilaa kylmempi), puun pinnalla tapahtuu sama höyryn tiivistymisilmiö kuin kuivauksen lämmitysvaiheessa ja tasaantuminen on hyvin tehokasta. 2.2 HÖYRYN KÄYTTÖ ERI KUIVAUSMENETELMISSÄ Tavanomaisessa lämminilmakuivauksen kamarisovelluksessa höyryä tarvitaan edellä kuvatun mukaisesti lähinnä alkulämmitys- ja tasaannutusvaiheissa. Jos kuivaamo vuotaa niin paljon, että ilman kosteus ei pysy halutulla tasolla varsinaisessa kuivausvaiheessa, on taloudellisesti poikkeuksetta parempi vaihtoehto tiivistää kuivaamo kuin käyttää lisähöyryä halutun kuivauskaavan toteuttamiseen. Kuumakuivauksessa tilanne ei höyryn käytön suhteen eroa lämminilmakuivauksesta muutoin, kuin että tasaannutusvaiheen käyttöä vaaditaan kosteusgradientin tasaamiseksi käytännössä aina. Jotta höyryä ei kuumakuivauksen yhteydessä varsinaisessa kuivausvaiheessa tarvittaisi, on kuumakuivaamon tiiviydelle asetettava selvästi perinteistä lämminilmakuivaamoa suurempia vaatimuksia. 11

12 Myös alipainekuivauksessa tilanne on lämmitys- ja tasaannutusvaiheiden suhteen sama kuin perinteisessä lämminilmakuivauksessa. Varsinaisessa kuivausvaiheessa puusta tulevaa höyryä on alipainepumpun tai kondenssilaitteiston avulla joka tapauksessa koko ajan poistettava, joten ulkopuolisen höyryn lisääminen kuivaamoon ei ajatuksenakaan ole järkevä. 2.3 VAIKUTUS KUIVAUSLAADUN ERI OSATEKIJÖIHIN Höyryn käyttö perinteisessä sahatavarakuivauksessa vaikuttaa vain osaan kuivauslaadun osatekijöistä, ja vaikutus muihin saattaa joissakin tapauksissa olla jopa kielteinen: Keskimääräisen kosteuden määrää yksinomaan kuivauksen oikea-aikainen lopetus. Höyryllä ei ole asiaan vaikutusta. Kosteuden hajonta kappaleiden välillä riippuu raaka-aineen homogeenisuuden lisäksi kuivaamon olosuhteiden tasaisuudesta ja siten erityisesti rimavälissä vallitsevasta ilman nopeudesta. Kuivaamon ominaisuuksien mukaan valitulla kuivauskaavalla voidaan kuitenkin saavuttaa hajonnan suhteen useimmiten haluttu tulos, jos aikaa on käytettävissä riittävästi. Höyryn käyttö kosteushajonnan pienentämiseksi tasaannutusvaiheessa merkitsee vuotavan kuivaamon paikkaamista lisäenergialla, mitä ei voida suositella. Kosteusgradientti saadaan niin pieneksi kuin halutaan käyttämällä tehokasta lopputasaannutusta. Tässä höyryn käyttö on avainasemassa. Paljolti samasta asiasta on kysymys puhuttaessa kuivatun sahatavaran jäännösjännityksistä, muodonmuutostaipumuksesta tai niinsanotusta pintakovuudesta. Kuivaushalkeilu johtuu raaka-aineen ja sahausasetteen valinnan jälkeen lähinnä kuivauskaavasta ja erityisesti sen alkulämmitysvaiheesta. Ylösajovaiheessa tapahtuvaa halkeilua voidaan höyryn avulla olennaisesti vähentää, jos muut edellytykset tässä suhteessa hyvän kuivauslaadun tuottamiselle ovat olemassa. Muodonmuutokset, joista erityisesti kierous on ongelma, riippuvat lähinnä puun luontaisista ominaisuuksista. Niiden vähentämisessä avainasemassa on tukin ja sahausasetteen valinta; kuivauksessa asiaan voidaan vaikuttaa lähinnä jättämällä tavaran keskimääräinen kosteus niin korkeaksi kuin mahdollista. Myös lisäpainojen käyttö kuivauskuorman päällä on avuksi. Värivirheet aiheutuvat lähinnä liian pitkäaikaisesta ja korkeasta lämpötilasta suhteessa puun kosteuteen. Höyryllä tilannetta ei voida muuttaa, joskin loppuhöyrytyksessä saattaa käytettävän korkean lämpötilan vuoksi syntyä pihkavuotoja. 12

13 3 ESIHÖYRYTYS ENNEN KUIVAUSTA Kirjallisuuden mukaan (Alexiou ym. 199) tuoreen puun höyrytys ennen kuivausta kuumassa, kylläisessä höyryssä vähentää sahatavaran kuivaukseen kuluvaa aikaa jopa 16 %. Tällaisen esihöyrytyksen vaikutus perustuu siihen, että höyryttäminen korkeassa lämpötilassa muuttaa puun solurakennetta erityisesti sydänpuussa niin, että sen permeabiliteetti eli höyrynläpäisevyys kasvaa. Tämän johdosta kosteus varsinaisessa kuivausvaiheessa siirtyy helpommin kappaleen sisäosista sen pintaan ja kuivuminen tätä kautta nopeutuu. Ennen kuivausta tapahtuvan höyrytyksen vaikutuksen pitäisi näin ollen näkyä voimakkaimmin kuivattaessa paksua sahatavaraa korkeassa lämpötilassa alhaiseen loppukosteuteen, jolloin kosteuden siirtyminen höyrymuodossa on suurimmillaan ja siten myös puun permeabiliteetin merkitys kuivumisnopeuteen on tärkein. Ilmiö on ymmärrettävästi voimakkaasti puulajista riippuva. Asiaa tutkittiin suomalaisella 5 x mm 2 mäntysahatavaralla, joka kuivattiin VTT:n pienessä laboratoriokuivaamossa puusepänkuivaksi lämpötiloissa 63 C ja 1 C. Tavara oli sahattu tyvitukista, jonka tilavuuspaino oli poikkeuksellisen korkea (47 kg/m3), ja se oli pääasiassa sydänpuuta (alkukosteus 45 %). Kuivattavat puut jaettiin kahteen 19 kappaleen ryhmään, joiden keskimääräiset lähtötiedot olivat olennaisesti samat. Tämä varmistettiin sijoittamalla kumpaankin ryhmään yhtä paljon lankun tyvestä, keskeltä ja latvasta sahattuja kappaleita. Ensimmäistä ryhmää höyrytettiin 1 C:n höyryssä 1 tunnin ajan. Tämän jälkeen seurasi jäähdytys kuivauslämpötilaan (puhallin pois päältä) ja vertailupuiden lisäys kuormaan tunnin kuluttua. Käytetyt kuivauskaavat on esitetty liitteessä 1. Kuivausten yksityiskohtaiset tulokset on esitetty taulukossa 1. Taulukko 1. Esihöyrytyksen vaikutus kuivaustulokseen eri kuivauslämpötiloissa 5 x mm 2 mäntysahatavaralla. Loppukosteus Kosteusgradientti Halkeilu Kierous Koe k.a. hajonta k.a. hajonta % k.a. hajonta 63 C, ei höyry 1,7 1,2 3,6 1,5 9 4,7 4,1 63 C, höyry 1,8,8 3,9 1,2 6 2,7 3 1 C, ei höyry 7,3 2,3 3,7 1,7 16 4,9 4 1 C, höyry 8,1 2,7 6,9 4,9 26 3,7 3,1 Höyrytyksellä ei ollut tilastollisesti merkitsevää vaikutusta loppukosteuteen eikä myöskään sen hajontaan, joten höyrytyksen aiheuttamalla mahdollisella permeabiliteetin kasvulla ei ainakaan tavanomaisessa kuivauslämpötilassa mäntysahatavaran kohdalla ole käytännön merkitystä. Kosteusgradientin osalta esihöyrytys näyttäisi kuumakuivauksessa jopa hieman hidastavan kuivumista, mutta tämä odottamaton havainto on pienistä kappalemääristä ja suuresta hajonnasta johtuen hyvin epävarma. 13

14 Myös halkeilun suhteen vertailuryhmät olivat kummassakin tapauksessa samanarvoiset, joten esihöyrytyksen ei voida katsoa parantaneen virumista syitä vastaan kohtisuorissa suunnissa. Niin ikään kierous (mittaus 1 m:n matkalta) oli kummassakin ryhmässä tilastollisen tarkastelun valossa keskimäärin yhtä suuri, vaikka puhtaasti keskiarvoina tarkastellen eroa näyttäisikin olevan. Syidenkään suuntaisen viruman ei siis voida katsoa kasvaneen höyrytyksen seurauksena. Sahatavaran pinta oli tummunut selvästi jo välittömästi esihöyrytyksen jälkeen muistuttaen kuumakuivatun puun pinnan väriä. Kuivauksen loputtua väri oli alhaisessakin lämpötilassa kuivatuilla esihöyrytetyillä puilla selkeän harmahtava, eikä männylle tunnusomaista sydänpuun punertavaa väriä ollut havaittavissa yhtä selkeästi kuin vertailuryhmässä. Tummumisen syvyys selvitettiin höyläämällä pinta kolmesta koekappaleparista, jolloin voitiin nähdä, että normaalin höyläyksen syvyydellä värinmuutos oli vielä selkeästi olemassa. Muutos ei kuitenkaan ollut yhtä voimakas kuin tavanomaisella kuumakuivatulla sahatavaralla, mikä johtuu ilmeisesti höyrytyksen lyhyestä kestosta kuumakuivausprosessin kestoon verrattuna. Selkeänä johtopäätöksenä voidaan esittää, että jos esihöyrytyksellä on kuivauksen aikana puun sisällä tapahtuvaan kosteuden siirtymiseen jonkinlaisia vaikutuksia, ne eivät ainakaan tule esille vielä tavanomaisissa kuivauslämpötiloissa. Sen sijaan värimuutokset puun pinnalla ovat selviä sokereiden tummuessa tuoreessa puussa 1 C:n lämpötilassa jo 1 tuntia kestävän jakson aikana. Mitään selvää hyötyä tällaisesta esihöyrytyksestä ei voida katsoa suomalaiselle mäntysahatavaralle olevan sen enempää lämminilma- kuin kuumakuivauksessakaan. 14

15 4 HÖYRYN KÄYTTÖ KUIVAUKSEN ALKULÄMMITYSVAIHEESSA Ruotsalaisissa kokeellisissa tutkimuksissa (Morén 1994b) on havaittu kuivauksen alkulämmitysvaiheessa tapahtuvan puun pinnan niin sanotun mikrohalkeilun aiheuttavan jopa 5 % kaikista kuivauksen lopputilanteessa havaittavista halkeamista. Tämä merkitsee sitä, että jopa pääasiallinen kuivatussa sahatavarassa paljain silmin havaittavan halkeilun syntymekanismi kuivauksessa olisi jo olemassa olevien säröjen kasvu makroskooppisiksi halkeamiksi. Tällaiset halkeaman alut voivat syntyä joko juuri kuivauksen lämmitysvaiheessa tai jo ennen sitä sahatavaran joutuessa odottamaan kuivausta sahauksen jälkeen. Lämpimänä vuodenaikana jo vuorokauden pituinen varastointi riittää aiheuttamaan sydäntavaran välittömän pinnan kuivahtamisen alle puunsyiden kyllästymispisteen ja siten mahdollistamaan mikrohalkeilun alkamisen. Puun kimmo- ja lujuusominaisuudet riippuvat voimakkaasti lämpötilasta siten, että kuivauslämpötilaa nostettaessa sahatavaran pinnalle syntyvä suhteellinen jännitys selvästi alentuu. Lämpötilan korottaminen parantaa lisäksi puun kosteudenjohtavuutta, jolloin puun pinnalle muodostuva kosteusgradientti jää korkeammassa lämpötilassa pienemmäksi. Myös kuivumisjännityksiä relaksoiva puun viruminen on korkeassa lämpötilassa olennaisesti voimakkaampaa. Kaikkien näiden tekijöiden yhteisvaikutuksesta etenkin halkeilua aiheuttava suhteellinen jännitys (jännityksen ja lujuuden suhde) kasvaa puun pinnassa kuivauksen ylösajovaiheessa helposti korkeaksi. Kaikin keinoin tulisikin siis välttää puun pinnan kuivumista ennen varsinaisen kuivauslämpötilan saavuttamista. Usein puhutaan kuivumisjännitysten ja -halkeilun yhteydessä siitä, että halkeilun kannalta vaarallinen kutistuminen alkaa, kun sahatavaran kosteus saavuttaa puunsyiden kyllästymispisteen (PSK). Käytettäessä kosteutena sahatavaran keskimääräistä kosteutta tämä on kuitenkin virheellinen ajattelutapa, sillä sydän- ja pintapuun rajapinnan sijainti sydänpuuvaltaisen sahatavaran poikkileikkauksessa on useimmiten kuvassa 1 esitetyn kaltainen. Pintalappeen keskiosa eli kohta, johon kuivumishalkeilu keskittyy, koostuu sydänpuusta, jonka alkukosteus tuoreessa puussa on tyypillisesti vain hieman yli PSK:n. Näin ollen kuivumiskutistuminen alkaa käytännöllisesti katsoen heti kuivauksen alettua, vaikka poikkileikkauksen keskimääräinen kosteus saattaa vielä olla esimerkiksi %. Juuri tästä syystä myös ennen kuivausta tapahtuva esikuivuminen on erityisen haitallista jo lyhyinäkin ajanjaksoina. 15

16 Kuva 1. Sydänpuuvaltaisen tuoreen mäntysahatavaran poikkileikkaus. Kuivemman sydänpuun ja kosteamman pintapuun välinen raja (katkoviiva) on selvästi havaittavissa. Tehokkain tapa välttää sahatavaran mikrohalkeilu kuivauksen ylösajovaiheessa on käyttää alkulämmityksessä runsaasti matalapaineista höyryä, jolloin kuivaamoon pystytään tuomaan tehokkaasti sekä lämpöenergiaa että kosteutta samanaikaisesti. Käyttämättä ulkopuolista kostutusta kuivausilman kosteus eli märkälämpötila kuivaamossa nousee vain puusta tulevasta kosteuden vaikutuksesta, mikä juuri merkitsee ei-toivottua puun pinnan kuivumista jo ennen varsinaisen kuivauslämpötilan saavuttamista. Perinteinen ratkaisu tähän ongelmaan on käyttää ilman kostuttamiseen vesisumutusta, mutta käytännössä sumutus ei koskaan ole tarkoitukseen riittävän tehokas. Sumutusta käytettäessä ongelmaksi muodostuu lisäksi lämpöpattereiden tehon riittämättömyys, koska tällöin myös ilman kostutukseen käytettävän veden höyrystämiseen kuluva energia on tuotettava lämpöpattereilla. Vesisumutusta käytettäessä kamarikuivauksen ylösajoon kuluukin talvisaikaan teollisessa mittakaavassa aikaa jopa toista vuorokautta, jos kuivan ja märän lämpötilan erotus pyritään pitämään maltillisena. 4.1 LABORATORIOKUIVAUSKOKEET ALKULÄMMITYSVAIHEESSA VALLITSEVAN KUIVAUSKAAVAN VAIKUTUKSEN SELVITTÄMISEKSI Mikrohalkeiluilmiön merkittävyyden selvittämiseksi VTT Rakennustekniikan pienessä Vanicek-koekuivaamossa kuivattiin useita rinnakkaiseriä sahatavaraa samalla kuivauskaavalla siten, että ainoastaan ylösajovaiheessa vallitsevaa kuivauskaavaa vaihdeltiin. Kokeita suoritettiin taulukon 2 mukaisesti usealla eri dimensiolla, sekä männyllä että kuusella. Kaikki käytetty sahatavara oli sydänpuuvaltaista tavaraa, joka oli hankittu suoraan sahalta välittömästi sahauksen jälkeen ja varastoitu ennen kuivausta umpipaketissa kosteassa ulkoilmassa (loka- helmikuu) pääasiassa alle C:n lämpötilassa mahdollisimman tiukasti muoviin käärittynä. Kuivaamon kostutukseen käytettiin ohjausautomatiikkaan kytkettyä höyrytystä tarpeen mukaan siten, että ennalta määritelty kuivauskaava toteutui myös alkulämmitysvaiheessa. 16

17 Taulukko 2. Mikrohalkeilun tutkimiseksi suoritetut sahatavaran laboratoriokuivauskokeet. Saha- Sahaus- Alkuläm- Lämpötila- Loppu- Kosteus- Halkeilu Suht. Koe tavara asete mitysaika erotus kosteus hajonta % jännitys 1a ku5x125 2-exlog ,8, b ku5x125 2-exlog ,2 1, a mä38x15 4-exlog ,3 2, b mä38x15 4-exlog ,8 2, a ku5x125 2-exlog 18 5,5 16,7 1, b ku5x125 2-exlog ,9 1, c ku5x125 2-exlog ,1, a mä75x15 2-exlog ,7 2, b mä75x15 2-exlog ,1 1, c mä75x15 2-exlog ,2 1, Kokeissa pyrittiin jäljittelemään tavanomaisen teollisuuden kamarikuivaamon ohjausautomatiikan toimintaa siten, että ylösajovaiheessa vallitseva kuivan ja märän lämpötilan erotus pyrittiin pitämään kussakin kokeessa vakiona. Tämän niin sanotun erosäädön tarkoituksena on kuivaamossa rajoittaa lämpöpatterin tehoa, jotta kuivausvoima ei märkälämpötilan alhaisuuden vuoksi alkuvaiheessa kasvaisi hallitsemattomasti. Käytetyt kuivauskaavat on esitetty liitteessä 2. Kokeella 4c haluttiin selvittää, mikä merkitys rajulla kuivauskaavalla on halkeilulle, jos mikrohalkeilu onnistutaan alkulämmitysvaiheessa välttämään. Tulos osoittaa, että kuivauskaavan nopeuttaminen on hyvin mahdollista ilman, että halkeilu olennaisesti kasvaa, jos kuivuminen saadaan alusta lähtien kunnolla hallituksi. Höyryn kuivauskapasiteettia lisäävä vaikutus ei siis rajoitu yksinomaan alkulämmitysvaiheen lyhentymiseen, vaan myös varsinaisen kuivausvaiheen kestoa voidaan lyhentää. Tulokset osoittavat, että ylösajovaiheessa vallitsevalla kuivauskaavalla selvästi on vaikutusta kuivauksen lopputilanteessa havaittavien halkeamien määrään. Jos tavaran halkeiluriski alunpitäen on suuri, varovaisella alulla saavutetaan olennaisesti pienempi halkeilu kuin rajulla. Jos sen sijaan halkeilutaipumus on vähäinen kuten (5 mm kuusella), alkulämmitysvaiheessa vallitsevan kuivauskaavan merkitys on pienempi. Tämä on havaittavissa verrattaessa samaa dimensiota olevia koesarjoja 1 ja 3, jotka ovat peräisin eri sahatavaraeristä. On kuitenkin huomattava, että yksittäisen lankun halkeilu on aina tietyssä mielessä satunnaisilmiö, joten käytetyissä muutaman kymmenen kappaleen otoksissa esiintyy joka tapauksessa aina myös satunnaista vaihtelua. Kokeissa käytetty kuivaamo on varustettu 12 kw:n höyrynkehittimellä, joten käytettävissä oli sahatavaratilavuuteen nähden erittäin suuri höyryteho. Edellä todetun mukaisesti tätä tehoa ei kuitenkaan käytetty koko aikaa, vaan ainoastaan kuivauskaavan määrittelemän kostutustarpeen mukaisesti. Pienessä laboratoriokuivaamossa sahatavaratilavuutta kohti käytetyn höyrytehon yleistäminen olennaisesti suurempaan teollisuusmittakaavaiseen kui- 17

18 vaamoon ei ole järkevää, koska pienessä mitassa itse kuivaamon lämpökapasiteetti on kuivattavan sahatavaran lämpökapasiteettiin nähden suhteettoman suuri. 4.2 YLÖSAJOVAIHEEN SIMULOINTI KAMARIKUIVAUKSEN SIMULOINTIOHJELMALLA Mallin rakenne Kuivauksen ylösajovaiheen toimintaa tutkittiin myös laskennallisesti käyttämällä hyväksi jo aikaisemmin VTT:llä kehitettyä sahatavaran kamarikuivauksen simulointiohjelmaa LAATUKAMARI. Ohjelman pohjana olevan matemaattisen mallin rakenne on tarkemmin kuvattu viitteessä Hukka (1996). Tätä tutkimusta varten ohjelmaan lisättiin erillinen osuus, joka jäljittelee kamarikuivaamon automatiikan erosäädön toimintaa ja ottaa huomioon jäätyneen puun sulattamiseen tarvittavan energian. Lähtötiedoiksi ohjelma tarvitsee sahatavaran ja kuivaamon muiden lähtötietojen lisäksi käytettävissä olevan höyrykattilan tehon ja kuivaamossa sijaitsevan lämpöpatterin ominaisuudet (mitoitusteho ja -lämpötila, syöttöveden lämpötila). Kuivaamon lämpövuotoihin kuluvan hukkatehon oletettiin olevan suuruudeltaan sama kuin kiertoilmapuhaltimien yhteenlaskettu teho, jolloin molemmat voitiin jättää huomiotta. Myöskään kuivaamorakennuksen lämmittämiseen kuluvaa energiaa ei ole laskelmissa huomioitu, koska Siimeksen (1983) mukaan tämän merkitys on vähäinen, etenkin kun rakennus käytännössä vain harvoin pääsee kokonaan jäähtymään. Simuloinnissa kostean ilman ominaisuuksien kehittymiseen käytetty matemaattinen malli on lähemmin kuvattu lähteessä Hukka (1997). Olennaisia huomioon otettavia tekijöitä mallissa on tuoreen puun hyvin rajallinen kyky imeä sen pinnalle kondensoituvaa vettä, jolloin valtaosa tästä vedestä valuu kuivaamon lattialle. Tämän veden on simuloinnissa oletettu poistuvan kokonaisuudessaan lattiakaivon kautta. Lämpöpattereiden antama teho on voimakkaasti riippuvainen niiden läpi virtaavan ilman lämpötilasta. Lisäksi asiaan vaikuttaa käytettävän syöttöveden lämpötila, jonka avulla patterista saatava suurin mahdollinen teho on varsin hyvällä tarkkuudella laskettavissa suoraan verrannollisena käytettävän syöttöveden ja patterin ohi virtaavan ilman lämpötilojen erotukseen Pmax( T) = P nominal T T water T T water nominal (1) jossa P nominal on patterin nimellisteho T water on syöttöveden lämpötila T on kuivauslämpötila ja T nominal on patterin mitoituslämpötila. 18

19 Mallille annetaan ensimmäinen kuivauskaavan piste, esim. /55 C, jonka se yrittää saavuttaa seuraavan ohjauslogiikan mukaisesti: 1. Lasketaan halutun kuivauskaavan ylläpitämiseksi tarvittava patteri- ja kostutusteho. 2. Jos kostutusta tarvitaan enemmän kuin sitä voidaan tuottaa, alennetaan lämpötilaa ja pidetään kuivan ja märän lämpötilan erotus kaavan määräämässä arvossa, kunnes vaadittu kostutustarve voidaan tyydyttää. 3. Jos lämpöpatterin teho ei riitä, lasketaan lämpötilaa, mutta pidetään kuormiin puhallettavan ilman vesisisältö vakiona. Tarvittava lämpöteho alentuu, mutta vaadittava kostutusteho ei merkittävästi muutu. 4. Jos märkälämpötila on kaavan määräämää tavoitetta alempi eikä kaikki kostutuskapasiteetti vielä ole käytössä, käytetään sekä täyttä höyrytystä että täyttä lämmitystehoa. Kuivan ja märän lämpötilan erotus saattaa esitetyn logiikan mukaisessa toiminnassa jäädä pienemmäksi kuin mitä kuivauskaava sallisi, mutta näin varmistetaan, että saadaan aikaan suurin mahdollinen annetuilla toimilaitteilla saavutettavissa oleva lämpiämisnopeus. Odotettavissa olevaa halkeilun määrää simulointimallissa kuvataan niin sanotulla suhteellisella jännityksellä, joka on määritelty simuloidun jännityksen ja materiaalin lyhytaikaislujuuden suhteena siten, että mukana on lisäksi paksumman sahatavaran suuremman halkeilualttiuden huomioiva skaalaustekijä σ rel σ = f d d, (2) jossa σ on laskettu jännitys f on lyhytaikaislujuus d on sahatavaran paksuus ja d on vakio. LAATUKAMARIn aikaisemmissa versioissa suhteellisen jännityksen saavuttamaa suurinta arvoa on päädytty tarkastelemaan 3 mm:n syvyydellä sahatavaran pinnasta, koska tämän kohdan on havaittu tuottavan parhaan korrelaation teollismittakaavaisissa kokeissa havaitun halkeilupituuden kanssa. Tähän tulokseen johtanut aineisto käsittää yli koekuivausta. Mikrohalkeiluilmiön kannalta olisi ilmeisesti järkevämpää tarkastella puun välittömällä pinnalla vallitsevaa suhteellisen jännityksen arvoa, mutta tällaisen hypoteesin mukaan mikrohalkeilun välttäminen johtaa todellisuuden kanssa ristiriitaiseen mahdollisuuteen kuivata paksukin sahatavara täysin halkeamatta. Puun pinnalla vallitseva suhteellinen jännitys siis ilmeisesti kuvaa kyllä mikrohalkeilua, mutta sekä alkulämmitysvaiheessa että varsi- 19

20 naisessa kuivausvaiheessa tyydyttävästi toimivan halkeilukriteerin kehittäminen vaatii vielä selvää jatkotutkimusta Tulokset Kuvassa 2 on esitetty suoritettujen kuivauskokeiden simuloinnista saatava tulos, kun oletetaan halkeilun korreloivan sahatavaran pinnassa vallitsevan suhteellisen jännityksen suurimman arvon kanssa. Laboratoriokuivauksissa puhallussyvyydellä ei ole merkitystä. Simuloinnin lähtötietoina on käytetty toteutuneita mitattuja kuivauskaavoja ja puun ominaisuuksia. Kuvasta nähdään, että lukuun ottamatta jälkimmäistä 5 mm kuusen koesarjaa suhteellisen jännityksen ja sahatavaran pintalappeen halkeilupituuden välinen korrelaatio on varsin hyvä. Mainitulla koesarjalla ei merkittävää halkeilua syntynyt suurellakaan suhteellisen jännityksen arvolla. Hyvää selitystä ilmiölle ei ole löydetty ku 5x125 mm mä 38x15 mm ku 5x125 mm mä 75x15 mm Halkeilu [%] Suhteellinen jännitys [%] Kuva 2. Mikrohalkeilukokeiden simulointi LAATUKAMARI-simulointimallilla. Kuvissa 3-4 on esitetty esimerkki simulointiohjelmalla lasketusta höyryn käytön vaikutuksesta 5 x 15 mm 2 :n mäntysahatavaralla kesäolosuhteissa. Höyrykattilan teho on 5 kw ja vesisumutuksen tehoksi on laskettu 2 l/min. Sahatavaran on oletettu esikuivuneen kolme vuorokautta sahauksen jälkeen 8 %:n suhteellisessa kosteudessa olosuhteissa, joissa ilmavirtaus ei

21 edesauta kuivumista. Simulointituloksen mukaan alkulämmitykseen kuluvan ajan säästö höyryä käytettäessä on noin 7 %. Lisäksi puun pinnan halkeiluriskiä kuvaava suhteellinen jännitys alentuu noin 1 prosenttiyksikköä, mikä on odotettavissa olevan halkeilun kannalta jo merkittävä muutos Suhteellinen jännitys [%] Lämpötila [ C] Kuivausaika [h] Kuva 3. Simuloitu alkulämmitys 5 x 15 mm 2 mäntysahatavaralla. Vesisumutus, ulkoilman lämpötila C. Suhteellinen jännitys [%] Lämpötila [ C] Kuivausaika [h] Kuva 4. Simuloitu alkulämmitys 5 x 15 mm 2 mäntysahatavaralla. 5 kw höyrykattila, ulkoilman lämpötila C. 21

22 Paksummalla 75x15 mm 2 :n männyllä talviolosuhteissa laskettu vertailu kuvissa 5-6 osoittaa, että potentiaalinen halkeilun väheneminen paksulla sahatavaralla on vielä selvästi suurempi. Alkulämmitysvaiheeseen kuluvan ajan säästö on samaa luokkaa kuin edellisessä esimerkissä. Suhteellinen jännitys [%] Lämpötila [ C] Kuivausaika [h] Kuva 5. Simuloitu alkulämmitys 75 x 15 mm 2 mäntysahatavaralla. Vesisumutus, ulkoilman lämpötila - C. Suhteellinen jännitys [%] Lämpötila [ C] Kuivausaika [h] Kuva 6. Simuloitu alkulämmitys 75 x 15 mm 2 :n mäntysahatavaralla. 5 kw höyrykattila, ulkoilman lämpötila - C. 22

23 4.3 ALKULÄMMITYKSESSÄ TARVITTAVA HÖYRYTEHO Edellä höyryn käytön fysikaalisten lähtökohtien yhteydessä esitetyn mukaisesti hyvin toimivassa ja asianmukaisesti eristetyssä kuivaamossa höyryä tarvitaan vain kuivauksen alkulämmitysvaiheessa. Tällöin kuivaamoon tuotava energia sitoutuu puuhun ja puussa olevaan veteen, minkä lisäksi pakkaskautena huomattava energia kuluu puun soluonteloissa jäätyneenä olevan vapaan veden sulattamiseen. Kuivaamorakennuksen lämmittämiseen kuluva energia on käytännössä vähäinen, koska kuivaamo vain harvoin pääsee kokonaan jäähtymään. Lämmön johtumisella ja muilla lämpövuodoilla on ylösajovaiheessa vain vähäinen merkitys, jos kuivaamo on asianmukaisesti tiivis. Siimeksen (1983) esittämillä yksinkertaisilla energialaskelmilla voidaan selvittää, paljonko kuivauksen ylösajovaiheessa tarvitaan lämmitykseen kokonaistehoa erilaisissa tilanteissa. Tulos riippuu voimakkaasti puun alkulämpötilasta, jonka ulkona varastoidun puun osalta voidaan olettaa olevan likimain sama kuin viimeksi kuluneen vuorokauden ulkoilman keskilämpötila. Eri tekijöiden keskinäinen merkittävyys sahatavaran erilaisilla alkukosteuksilla käy ilmi kuvasta 7. Alkukosteutena % on tyypillinen sydäntavaralle ja 1 % edustaa puhdasta pintalautaa. Kuusen alkukosteus on etenkin pintapuussa tyypillisesti hieman korkeampi kuin männyn, mutta vastaavasti sen kuiva-tuore-tiheys on alempi, eikä olennaista eroa näiden puulajien välillä näin ollen ole havaittavissa. Kuivaamon lämmitykseen ja vuotoihin kuluu ohuen laudan tapauksessa sahatavaratilavuutta kohti enemmän energiaa kuin paksua lankkua kuivattaessa, koska kuivaamon täyttöaste on alempi. 45 Energian tarve [MJ/m3] Lämmön johtuminen+vuodot Kuivaamon lämmitys Sulan puun lämmitys Jään sulatus Jäätyneen puun lämmitys 5 75x15 mm2 25x1 mm2 Kuva 7. Energian tarve kuivauksen ylösajovaiheessa, kun ulkolämpötila on - C ja kuivauslämpötila on C. 23

24 Alkulämmitysvaiheessa tarvittavan kokonaistehon tarve riippuu ensisijaisesti siitä, kuinka nopeaksi kuivauksen ylösajo on tarkoitus saada; muilla tekijöillä on vaikutusta lähinnä lämpöpattereiden mitoitukseen. Näin laskettu kokonaistehotarve 25 mm, 5 mm ja 75 mm sahatavaralle on esitetty kuvassa 8. Esimerkkikuivaamon nimellistilavuus on 1 m 3. Kuvasta nähdään, että tehontarve talviaikana on yli kaksinkertainen kesäaikaan verrattuna ja että sahatavaradimension vaikutus on vuodenaikaa selvästi vähäisempi. Alkukosteudeltaan korkea lautatavara vaatii lämmitystehoa selvästi eniten, mutta tässä suhteessa samanlaiset 5 mm ja 75 mm:n tavarat olennaisesti yhtä paljon; ero johtuu lähinnä siitä, että kuivaamoon mahtuu 75 mm paksua tavaraa 12 % enemmän kuin 5 mm paksua tavaraa. Kokonaislämpöteho [kw] mm - C 75 mm 5 mm 25 mm + C 75 mm 5 mm Alkulämmitysaika [h] Kuva 8. Alkulämmitysvaiheessa nimellistilavuudeltaan 1 m 3 :n kuivaamossa tarvittava keskimääräinen kokonaislämpöteho alkulämmitysvaiheeseen käytettävän ajan funktiona. Lämpöpattereiden nimellisteho on lankkutavaralle suunnitellussa hyvässä kamarikuivaamossa tyypillisesti luokkaa kw. Jos patteri on suunniteltu 65 C:n lämpötilalle ja sen syöttöveden lämpötila on kuivauslämpötilasta riippumaton vakio 11 C, alkulämmityksessä patterista saadaan kaavan (1) mukaisesti keskimäärin lähes 1 kw. Pelkkä lämpöpatterikin riittäisi siis siirtämään lämpöä kuivaamoon niin tehokkaasti, että kuvan 8 mukaisesti alkulämmitykseen kuluisi kovallakin pakkasella aikaa alle 1 tuntia. Ongelmana onkin kuivausilman kosteuden riittämättömyys, minkä vuoksi lämpöpattereiden tehoa joudutaan rajoittamaan. Käyttämällä höyryä kuivausilman kosteus eli märkälämpötila saadaan alussa nousemaan nopeasti, jolloin myös lämpöpattereita voidaan käyttää suuremmalla teholla. Mitä enemmän höyrytehoa on käytettävissä, sitä enemmän 24

25 voidaan myös patteritehoa käyttää ja tarkasteltaessa alkulämmitykseen kuluvaa aikaa höyryn teho näin vielä korostuu. Tarvittavan höyrytehon selvittämiseksi suoritettiin alkulämmitysvaiheen simulointiajot LAATUKAMARI-ohjelmalla erilaisilla höyrytehoilla (,,, ja 8 kw) ja kuivan ja märän lämpötilan erotuksilla (4, 6 ja 8 C). Tavoitteena oli saavuttaa C:n kuivauslämpötila. Simuloinnin lähtökohdaksi otettiin tavanomainen, nimellistilavuudeltaan 1 m 3 :n kamarikuivaamo, jonka lämpöpatterin teho on 65 C:n mitoituslämpötilassa kw. Kuivaamon puhallussyvyys oli 6 m ja ilman nopeus rimavälissä keskimäärin 3 m/s. Puhallussuuntaa vaihdettiin kahden tunnin välein. Alkulämmitysvaiheen simuloinnit suoritettiin ulkoilman lämpötilan suhteen ääritapauksessa (- C:ssa), jolloin kaiken puun soluonteloissa olevan veden oletettiin olevan jäätyneenä. Simuloitavaksi sahatavaraksi valittiin halkeiluherkkä männyn tyvitukista 2-exlog -asetteella sahattu 5 x 15 mm 2 ja 75 x 15 mm 2 tavara. Kuvissa 9 ja 1 on esitetty käytettävän höyrykattilan tehon vaikutus alkulämmitysvaiheeseen kuluvaan aikaan käytettäessä erilaisia kuivan ja märän lämpötilan erotuksia. 3 Aika [h] kw kw kw kw 8 kw Alkulämmityksen erotus [ C] Kuva 9. Alkulämmitysvaiheeseen kuluva aika eri höyrytehoilla ja alkulämmitysvaiheen lämpötilaerotuksilla 5 x 15 mm 2 :n mäntysahatavaralla. 25

26 35 Aika [h] kw kw kw kw 8 kw Alkulämmityksen erotus [ C] Kuva 1. Alkulämmitysvaiheeseen kuluva aika eri höyrytehoilla ja alkulämmitysvaiheen lämpötilaerotuksilla 75 x 15 mm 2 :n mäntysahatavaralla. On kuitenkin selvää, että yksinomaan käytettävä lämpötilaerotus ei määrää syntyvää mikrohalkeilua, vaan asiaan vaikuttaa olennaisena tekijänä myös lämpötilan nousunopeus. Jos nimittäin märkälämpötila kohoaa niin nopeasti, että puun pinta on koko ajan kuivaamossa vallitsevaa kastepistettä kylmempi, ei kuivumista voi tapahtua suurellakaan kuivan ja märän lämpötilan erotuksella. Puun suuren lämpökapasiteetin vuoksi onkin siis virheellinen ajatus puhua kuivausvoimasta ja sen halkeilua aiheuttavasta vaikutuksesta, jos lämpötila ei tarkastelutilanteessa pysy vakiona. Kuivausvoima-käsitteen käyttö tulisikin rajoittaa isotermisiin tilanteisiin. Paremman tiedon puutteessa mikrohalkeilun synnystä voidaan olettaa, että puun välittömällä pinnalla vaikuttavan suhteellisen vetojännityksen saavuttama suurin arvo aiheuttaa halkeilun. Tämän hypoteesin mukainen tulos tarkastelluille dimensioille on esitetty kuvissa 11 ja 12. Kuten todettua, kuivauksen myöhemmissä vaiheissa virheellisen kuivauskaavan vuoksi syntyvän halkeilun simulointi on eri asia. Johtopäätöksenä suoritetuista simulointiajoista voidaan esittää, että sydänpuuvaltaisen lankkutavaran kuivauksessa järkevä höyryteho on luokkaa 5 kw/m 3. Pienemmillä tehoilla voidaan kyllä säästää alkulämmitysvaiheeseen kuluvaa aikaa, mutta halkeilun mahdollisimman suurta vähentymistä haettaessa kovin paljon alhaisempi teho ei riitä. Kuvan 7 mukaisesti tämä tulos ei ole herkkä puun alkulämpötilalle, koska jäätyneen puun lämmitykseen kuluva energia on vain pieni osa alkulämmitysvaiheen kokonaisenergian tarpeesta. 26

27 Suhteellinen jännitys [%] kw kw kw kw 8 kw Alkulämmityksen erotus [ C] Kuva 11. Alkulämmitysvaiheessa sahatavaran pinnassa vaikuttavan suhteellisen jännityksen suurin arvo erilaisilla höyrytehoilla ja lämpötilaerotuksilla 5 x 15 mm 2 :n mäntysahatavaralla. 25 Suhteellinen jännitys [%] kw kw kw kw 8 kw Alkulämmityksen erotus [ C] Kuva 12. Alkulämmitysvaiheessa sahatavaran pinnassa vaikuttavan suhteellisen jännityksen suurin arvo erilaisilla höyrytehoilla ja lämpötilaerotuksilla 75 x 15 mm 2 :n mäntysahatavaralla. 27

28 5 HÖYRYN KÄYTTÖ LOPPUTASAANNUTUKSESSA Välittömästi kuivauksen jälkeen sahatavarassa on normaalisti selvä kosteusgradientti, eli sen keskiosa on huomattavasti kosteampi kuin pinta, josta kuivuminen on tapahtunut. Tämän vuoksi sahatavaran poikkileikkauksessa vallitsee kuivaamosta otettaessa yleensä myös selvä jännitystila. Näiden tekijöiden yhteisvaikutuksesta poikkileikkauksen muoto pyrkii muuttumaan, kun sahatavara halkaistaan tai kun sitä höylätään. Muodonmuutostaipumusta voidaan tutkia kuvan 13 mukaisella halkaisukokeella, jossa kappaleen toisistaan irtileikattujen puoliskojen annetaan tasaantua ympäröivän ilman määräämään tasapainokosteuteen. Puoliskojen väliin näin syntyvä rako kuvaa sahatavaran muodonmuutostaipumusta eli sen soveltuvuutta jatkojalostukseen. Koemenettely on osa European Drying Groupin (EDG) suosituksia sahatavaran kuivauslaadun määrittämiseksi ja sitä ollaan valmistelemassa yleiseurooppalaiseksi kuivauslaatustandardiksi. Kuva 13. European Drying Groupin (EDG) suositus menettelyksi sahatavaran muodonmuutostaipumuksen määrittämiseksi. Kuvatun muodonmuutosilmiön kohdalla puhutaan usein yksinomaan kuivumisjännityksistä, jotka sahatavarassa ovat jäljellä kuivauksen päätyttyä. Näiden jäännösjännitysten vapautuminen ilmenee kuitenkin vain välittömänä halkaisun jälkeisenä muodonmuutoksena, joka kokeiden mukaan on kosteusgradientin tasaantumisen aiheuttamaan hitaampaan muodonmuu- 28

29 tokseen verrattuna hyvin vähäinen. Samaan tulokseen päästään tarkastelemalla asiaa laskennallisesti: hyvin tavanomaisen 1 prosenttiyksikön kosteuseron tasaantuminen 25 mm paksun puun pintojen välillä riittää aiheuttamaan niiden välille 1 mm leveässä kappaleessa 2,7 mm:n pituuseron. Tämä vastaa 2,6 mm:n rakoa kahden vastakkain asetetun palan välillä, mikä on hyvin tyypillinen 5 mm paksun sahatavaran halkaisukokeessa saatava tulos. Jo pelkkä kosteusgradientti riittää siis aiheuttamaan muodonmuutoksen, joka on suuruudeltaan samaa luokkaa kuin halkaisukokeessa havaittava tulos. Sekä sahatavaran kuivumisjännitykset että sen kosteusgradientti voidaan poistaa kuivauksen loppuvaiheessa tai sen jälkeen tapahtuvalla tasaannutuksella. Edellä esitetyn perusteella käytännön merkitystä on lähinnä kosteusgradientin poistamisella, mikä jo huoneenlämpötilassa on hyvin hidasta ja kylmemmässä ulkoilmassa vie kuukausia. Lopputasaannutuksen ajatuksena on kostuttaa puun pintaa samalla, kun sen keskiosa vielä jatkaa kuivumistaan. Puun keskimääräinen kosteus kasvaa prosessissa 1-2 prosenttiyksikköä, joten puu on kuivattava sen verran tavoitekosteutta kuivemmaksi ennen tasaannutusvaihetta. Tyypillinen tasaannutuksen avulla saatava tulos on esitetty kuvassa 14. Kuva 14. Tyypillinen loppuhöyrytyksellä saatava tulos. Vasemmalla halkaisumuodonmuutos heti kuivauksen päätyttyä, oikealla höyryllä suoritetun lopputasaannutuksen jälkeen. Aikaisemmin tehtyjen tutkimusten mukaan erityisesti kuivumisjännitysten poistaminen on tehtävä korkeassa lämpötilassa (Ranta-Maunus ym. 1995), koska esimerkiksi C lämpötilassa jännitykset eivät ainakaan vielä kaksi kuukautta kestäneiden kokeiden mukaan vapaudu, vaikka kosteusgradientti lähes kokonaan poistuisikin. Ilmeisesti tällä ei siis kuitenkaan ole käytännön jatkojalostuksessa syntyvien muodonmuutosten kannalta niin suurta merkitystä kuin aikaisemmin on ajateltu, vaan korkean lämpötilan merkitys on pääasiassa tasaantumisen nopeutumisessa. 29

30 5.1 LOPPUTASAANNUTUKSEN SUORITUS: TEOREETTINEN TARKASTELU Lopputasaannutuksessa puun on imettävä itseensä vettä, jotta sen pinnan kosteus voisi kasvaa. Suomalaisen havupuun solujen väliset huokoset ovat kuivauksen seurauksena kuitenkin poikkeuksetta niin tiiviisti sulkeutuneet, että puun kosteudenjohtavuus on tuoreeseen puuhun verrattuna jo varsin huono. Tämä merkitsee sitä, että puun tasaantuminen ympäröivän ilman määräämään tasapainokosteuteen tapahtuu hyvin hitaasti, ja niinpä tällainen puun hygroskooppisuuteen pohjautuva tasaantumisprosessi kestää sahatavaradimensioilla tyypillisessä kuivauslämpötilassakin useita kymmeniä tunteja. Tässä suhteessa kaikkein epäedullisin tilanne vallitsee kuusen sydänpuussa, jonka huokosten aspiroituminen on voimakkainta. Puun huonosta kosteudenjohtavuudesta johtuva heikko tasaantumiskyky voidaan kiertää kondensoimalla vettä nestemäiseksi kerrokseksi puun pinnalle. Tällöin puun välittömän pinnan läheisyyteen saadaan aikaan olennaisesti voimakkaampi kosteusgradientti kuin ilman veden tiivistymistä olisi mahdollista, minkä lisäksi etenkin paksuilla dimensioilla muodostuu myös suuri lämpötilagradientti. Nämä molemmat aiheuttavat voimakkaan kosteuden tunkeutumisen puun pinnalta sen sisäosiin ja nopeuttavat näin tasaantumista olennaisesti. Jotta ilmassa oleva kosteus voisi tiivistyä puun pinnalle, puun on oltava ympäristössään vallitsevaa kastepistelämpötilaa kylmempi. (Tässä yhteydessä tarkasteltuna kastepistelämpötilan arvo on olennaisesti sama kuin märkälämpötilan arvo, vaikkakin käsitteellisellä tasolla näillä asioilla on olennainen periaatteellinen ero.) Tiivistyessään puuhun vesi kuitenkin luovuttaa sille höyrystymislämpöään vastaavan lämpömäärän aivan samoin kuin kuivauksen alkulämmitysvaiheessa, joten tasaannutuksessa puu myös lämpenee nopeasti. Jotta puun lämpötilaero kastepisteeseen säilyisi koko ajan riittävän suurena, on kastepiste saatava nousemaan mahdollisimman nopeasti. Tämä vaatii käytettävältä laitteistolta niin suurta kostutuskykyä, että käytännössä sitä ei ole mahdollista saavuttaa ilman runsaan matalapaineisen höyryn käyttöä. Edellä olevan perusteella tehokkaan loppuhöyrytyksen toteuttamiselle on näin ollen kaksi vaihtoehtoa: 1. Tasaannutus tapahtuu varsinaisessa kuivaamossa kuivauskaavan välittömänä jatkona siten, että kuivaamon märkälämpötila nostetaan nopeasti olennaisesti varsinaisen kuivausvaiheen lopussa vallitsevaa lämpötilaa korkeammaksi. 2. Tasaannutus toteutetaan erillisenä vaiheena sen jälkeen, kun sahatavara on jäähtynyt kuivauksen jälkeen. Tällöin sahatavaraa ei tarvitse välttämättä lämmittää tavanomaista kuivauslämpötilaa lämpimämmäksi, vaikkakin tasaantuminen on sitä tehokkaampaa, mitä enemmän puu sen aikana lämpenee. 3

31 Itse kuivaamossa välittömästi kuivauskaavan jatkona toteutettava loppuhöyrytys edellyttää sitä, että kuivaamon rakenne ja sen toimilaitteet kestävät 1 C:n lämpötilan ja lähes kylläisen höyryn. Tavanmukaisesti laitteet on kuitenkin mitoitettu vain 8 C.n lämpötilaa varten, eikä niiden vaihtaminen tasaannutustarkoitusta varten ole kannattavaa. Hyvin kuuman, kylläisen höyryn kohdalla ongelmia syntyy tavanomaisessa kuivaamossa myös rakennuksen riittämättömän tiiviyden takia. Erillinen tasaannutuskammio on selvästi helpompi suunnitella alusta alkaen siten, että se kestää tarvittavat olosuhteet. Myös taloudellisesti tällainen toimintatapa on ilmeisesti järkevämpi kuin kuivaamoiden korjaustoimilla saavutettava suurimman sallitun lämpötilan korotus. 5.2 LOPPUHÖYRYTYKSEN KOKEELLINEN TUTKIMUS Loppuhöyrytystutkimuksen kokeellisessa osassa käytettiin materiaalina mahdollisimman hiljattain teollisuudessa kuivattua sahatavaraa, jonka kosteus oli pääasiassa %. Höyrytykset suoritettiin VTT:n pienellä Vanicek-koekuivaamolla, joka on varustettu 12 kw:n höyrynkehittimellä. Päätyvaikutusten eliminoimiseksi koekappaleiden päät suojattiin ennen kokeita polyuretaanimassalla ( Sikaflex ). Keskimääräisen kosteuden ja kosteushajonnan muutokset määritettiin punnitsemalla koekappaleet ennen ja jälkeen höyrytyksen, koska punnitus-kuivausmenetelmällä saatavat tulokset ovat sahatavaran sisäisen kosteusvaihtelun vuoksi tähän tarkoitukseen liian epätarkkoja. Gradientti määritettiin punnitus-kuivausmenetelmällä kuvan 15 mukaista viipalointimenettelyä käyttäen. Otettavien palojen lukumäärä vaihtelee sahatavaran paksuuden mukaan siten, että yhden viipaleen paksuus on 6-9 mm. Kuva 15. Gradienttipalojen viipalointi sahatavaran poikkileikkauksesta. 31